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Resistencia a la tracción de los biomateriales resorbables
 

Resistencia a la tracción de los biomateriales resorbables

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Las suturas se han utilizado durante miles de años para la intervención médica, con los primeros materiales siendo lino o intestino de gato.

Las suturas utilizadas hoy en día ahora se clasifican por dos categorías diferentes, primero por composición, ya sea materiales naturales o sintéticos, y por absorción, ya sea no resorbable o resorbable. Los materiales resorbables se degradan en el cuerpo principalmente a través de la degradación programada causada por la interacción del agua con grupos químicos específicos en la cadena de polímeros. Por lo tanto, estos materiales se utilizan para mantener una herida unida durante un período de tiempo lo suficientemente largo como para la curación sin la necesidad de la eliminación.

En este vídeo, discutiremos los mecanismos detrás de la degradación material resorbable y demostraremos cómo evaluar el cambio en la resistencia de los materiales a lo largo del tiempo a medida que están expuestos a diferentes entornos.

Los materiales resorbables se degradan principalmente en el cuerpo por degradación oxidativa, hidrolítica y enzimática. Los materiales pueden sufrir oxidación in vivo ya que el cuerpo reacciona al objeto extraño y libera especies oxidativas para atacarlo. El efecto oxidativo sobre los polímeros puede causar cissión en cadena y contribuir a la degradación. En la degradación hidrolítica, el agua ataca los enlaces susceptibles en el polímero para generar oligómeros y finalmente monómeros.

Poliésteres como la polidioxanona se utilizan comúnmente como materiales resorbables porque el grupo de éster se degrada fácilmente a través de la hidrólisis. Después de implantar el material, comienza a absorber el agua. La cissión hidrolítica comienza dondequiera que el material esté en contacto con el agua. Los materiales hidrófilos absorben más agua y, por lo tanto, se degradan más rápidamente en todo el lugar. Sin embargo, los materiales hidrófobos absorben el agua más lentamente y tienden a degradarse desde el exterior hacia adentro.

Las enzimas en el cuerpo catalizan diversas reacciones y, por lo tanto, catalizan la degradación hidrolítica de los materiales también. La reacción de hidrólisis es catalizada por enzimas llamadas hidrolasas que pueden aumentar la tasa de degradación hidrolítica hasta 10 veces. A medida que el material se degrada, las propiedades mecánicas del material también cambian.

Echemos un vistazo a cómo analizar el cambio en la resistencia de los materiales resorbables a lo largo del tiempo debido a la degradación hidrolítica en ambientes ácidos, neutros y alcalinos.

Para este experimento, obtenga dos tipos de suturas resorbables. Aquí, usamos poligliconato y polidioxanona.

Prepare seis tubos de muestra de tapa de tornillo, cada uno etiquetado con la fecha, el tipo de muestra y la solución en la que se colocará la muestra. Debe haber una solución ácida, alcalina y neutra para cada tipo de muestra. Aquí, mostramos una de cada muestra. Sin embargo, debe preparar tres muestras de cada tipo de sutura para cada punto de tiempo.

A continuación, abra el embalaje de la sutura y retire la sutura. Cortar la aguja de la sutura y desecharla en el contenedor de objetos punzantes. Corte cada sutura en tres trozos de aproximadamente 10 a 12 pulgadas de largo. Tome nota de las características físicas de la sutura. Utilice una pinza para medir el diámetro de cada sutura y observe la dimensión inicial.

Por último, sopesar cada sutura, registrar el peso y colocar una sutura en cada tubo de muestra. Llene los tubos de muestra neutros con suficiente agua desionizada para que la sutura esté completamente sumergida, y tapa el tubo. A continuación, llene los tubos ácidos con ácido clorhídrico diluido y llene los tubos de muestra alcalinos con solución diluida de hidróxido de sodio. Finalmente, coloque los seis tubos de muestra en un estante en una incubadora a 37 grados Centígrados.

Ahora echemos un vistazo a cómo determinar la fuerza de las suturas usando pruebas de tracción. La prueba de tracción carga una muestra estibándola hasta el fallo, lo que permite la determinación de la resistencia del material.

En primer lugar, pruebe las suturas frescas que no han estado incubando en soluciones de prueba. Coloque la sutura en el accesorio del instrumento y fíjela en su lugar. La muestra de control debe tener la misma longitud que el instrumento de aproximadamente 10 a 12 pulgadas. A continuación, cero el instrumento y registre el ajuste de velocidad de desplazamiento. Asegúrese de que la retención de pico se muestra en el panel de control. A continuación, inicie la tensión en la sutura. La fuerza y el desplazamiento comenzarán a cambiar en el instrumento. Cargue la sutura hasta que no se produzca. A continuación, apague el instrumento y registre la fuerza máxima desde el panel de visualización.

Ahora vamos a medir la resistencia a la tracción de las muestras que habían sido expuestas a soluciones a un pH variable.

Después de la cantidad de tiempo especificada, retire las muestras del horno. Mida el pH de la solución en cada tubo utilizando papel de pH. Una vez medido el pH de todas las soluciones, retire la sutura que se va a probar y enjuáguela con agua desionizada. Tome nota de las características físicas del material.

Seque la muestra con una toalla de papel, luego pesarla y registrar la nueva masa. A continuación, coloque la muestra en las empuñaduras del probador de tracción y fíjela en su lugar. Cero el instrumento y asegúrese de que la velocidad de desplazamiento es la misma que se utiliza para la muestra de control. Compruebe también que se muestra la retención de pico. Ahora, cargue la muestra hasta que no se aboen. Registre la fuerza máxima de la pantalla. Repita la prueba de tracción para cada muestra en el transcurso del estudio de tiempo.

Ahora veamos cómo analizar los datos para determinar la fuerza de las muestras.

En primer lugar, calcule la tensión de tracción media de cada muestra dividiendo la fuerza máxima por el área transversal de la sutura. A continuación, calcule el porcentaje de resistencia a la tracción retenido por la sutura después de la incubación utilizando la fórmula que se muestra. Una gráfica de resistencia a la tracción a lo largo del tiempo para cada muestra muestra que la fuerza de ambos tipos de suturas disminuyó con el tiempo en soluciones ácidas, neutrales y alcalinas.

Las estructuras de polidioxanona se degradaron más en la solución ácida, con sólo el 41% de la resistencia a la tracción original retenida después de cinco semanas, mientras que el 49 y el 78% de la fuerza se retuvo para las soluciones neutrales y alcalinas, respectivamente. Las suturas de poligliconato se degradaron de manera similar en las tres soluciones que retienen alrededor del 42% de la fuerza en soluciones ácidas, neutrales y alcalinas después de cinco semanas. Los resultados se esperan ya que los materiales poseen enlaces éster que son susceptibles a la cissión hidrolítica, que se mejora a un pH alto y bajo.

Ahora echemos un vistazo a dónde se utilizan los materiales resorbables en el campo de la ingeniería biomédica.

Materiales resorbables como las suturas probadas en este video se utilizan más comúnmente en procedimientos quirúrgicos para permitir la curación de sitios quirúrgicos mientras se elimina la necesidad de extracción de sutura. Sin embargo, los materiales reabsorbibles también juegan un papel en la ingeniería de tejidos como el andamio para tejido de ingeniería. Los andamios de tejido reabsorbible proporcionan la estructura tridimensional inicial para el tejido, pero se degradan lentamente a medida que las células crecen y crean su propio material estructural. Eventualmente, el andamio inicial ya no es necesario y el tejido de ingeniería se parece más al tejido nativo.

El injerto óseo implica reemplazar el hueso perdido o dañado para ayudar a que las fracturas grandes sanen. En este estudio, los investigadores crearon un defecto en el cráneo al perforar un agujero de cinco milímetros. El fragmento óseo se desprenció y el injerto óseo se unificó al hueso usando pegamento de fibrina. Aunque el hueso del donante se utiliza a menudo, los materiales resorbables presentan una alternativa que permite que el injerto se degrade a medida que crece el hueso nativo.

Acabas de ver la introducción de JoVE a los materiales resorbables. Ahora debe comprender cómo estos materiales se degradan in vivo e in vitro, cómo probar los cambios de resistencia debido según la degradación, y algunas aplicaciones de estos materiales en el campo de la ingeniería biomédica. ¡Gracias por mirar!

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